This thesis suggests a device level solution to acquire a linear frequency tuning with respect to a tuning voltage sweep in an inductor (L) - capacitor (C) resonant system. Since the linearity of the resonant frequency vs. tuning voltage relationship is closely related to the shape of the capacitance (C) - tuning voltage (V) response, the C-V response tunable variable capacitor was suggested and used to realize the linear frequency tuning. The proposed variable capacitor was fabricated using microelectro mechanical system (MEMS) surface micromachining. The capacitance of the fabricated MEMS variable capacitor was normally tuned according to the tuning voltage $(V_{tune})$, and the C-V response shape was changed with respect to the control volt-age $(V_{control})$. When the control voltage increased from zero to 9 V, the C-V response shape changed from a linear to a concave form (i.e. the capacitance decreased fast at low tuning voltage region and slowly at high tuning voltage region). On the other hand, the relationship of the resonant frequency and the tuning voltage changed from concave to an almost linear form (linearity factor was 99.99%) in the same increment of the control voltage. The proposed MEMS variable capacitor’s C-V response tuning capability is vital and amenable to various circuit demands.
본 논문은 LC 공진 시스템에서 공진 주파수 조절을 선형적으로 하기 위한 소자 레벨의 해결 방안을 제시하고 있다. 공진 주파수 (f)와 주파수 조절을 위한 인가 전압 (V) 과의 관계 (f-V 응답)는 인가전압 (V) 대비 정전용량 (C) 의 변화 관계 (C-V 응답)와 매우 밀접한 관계를 가지고 있기 때문에, 본 논문은 C-V 응답 자체를 조절 할 수 있는 MEMS 가변 커패시터를 제안 하고 개발하여 선형적인 주파수 조절을 구현 하였다. 제안된 MEMS 가변 커패시터는 표면 미세 공정 기술 (surface micro-machining)을 이용하여 구현 되었다.
제작 된 소자의 정전 용량은 기본 적으로 튜닝 전압 $(V_{tune})$ 에 의해 조절 되고, C-V 응답은 컨트롤 전압 $(V_{control})$ 에 의해 바뀌게 된다. 컨트롤 전압이 0 V 에서 9 V 로 바뀔 때, C-V 응답은 선형적인 그래프에서 아래로 볼록한 형태로 변형되어 그려지게 된다. (낮은 튜닝 전압에서는 빠르게 감소하고, 높은 튜닝 전압 영역에서는 낮은 감소율을 보인다.) 반면, 이를 이용한 LC 공진 모듈에서는, 같은 튜닝 영역에서, 공진 주파수와 튜닝 전압과의 관계가 아래로 볼록한 형태에서 거의 직선에 가까운 관계 그래프로 변형 된다 (Linearity factor: 99.99 %). 결과 적으로 제안 된 MEMS 가변 커패시터를 이용하면 특별한 회로적 기법 없이 소자 자체 만으로도 선형적인 공진주파수 조절이 가능한 LC 모듈을 제작할 수 있다.
일괄 공정을 통해, 제안된 MEMS 가변 커패시터와 스파이럴 인덕터를 동시에 제작하고 돔형태의 캡을 제작하여 패키징을 함으로서, 밀봉된 LC 공진 모듈을 개발 하였다. 제작 된 모듈은 모델링과 시뮬레이션 등을 통해 예측했던 대로 컨트롤 전압 조절 만으로 선형적인 공진 주파수 튜닝이 이루어 지는 것을 보였다. 패키징을 한 경우 기생 커패시턴스 성분의 증가로 인해 다소 공진 주파수 값이 이동 되었으나 그 공진 주파수의 튜닝에 있어서는 선형성이 보존되는 것을 확인 하였다.
본 논문의 결과는 지금까지 선형적인 f-V 응답을 얻기 위해 회로적으로만 연구되어 왔던 것과는 달리 내부에 사용되는 가변 커패시터 소자의 특성을 이상적인 형태를 가지도록 설계, 제작 함으로서 소자 레벨에서의 해결 방안을 제시하였다. 이를 통해 복잡한 회로에서 비롯 되었던 전력 손실 및 설계의 복잡성, 그에 따른 제작 비용 상승 등을 해결할 수 있는 대안이 될 것으로 기대 된다.
